Προετοιμασία
EΡΜΗΝΕΙΑ ΣΩΝ ΑΠΟΣΕΛΕΜΑΣΩΝ Γιατί η αεροτομή τφπου NACA 4415 ήταν λιγότερο αποδοτική ςτο πείραμα; Το προφίλ τθσ αεροτομισ τφπου NACA 4415. Το πτερφγιο με αεροτομζσ τφπου ΝΑCA 4415. Στο πείραμα θ επίπεδθ πλευρά τθσ αεροτομισ ιταν θ μετωπικι επιφάνεια τθσ πτερωτισ προσ τον άνεμο τθσ ςιραγγασ αζρα. Σε λεπτομζρεια, ςχζδιο του πτερφγιο με τθν επίπεδθ αεροτομι ορκογωνίου παραλλθλογράμμου. H πτερωτι με τθν καλφτερθ αεροδυναμικι απόδοςθ ιςχφοσ για τθν πειραματικι διάταξθ τθσ ανεμογεννιτριασ μασ. Το μικοσ του πτερυγίου αυτοφ και ςτo ΝΑCΑ 4415 ιταν το ίδιο (13 cm). Στο πείραμα, θ πλευρά του πτερυγίου που ιταν επίπεδθ- ιταν θ μετωπικι επιφάνεια ςτθν ροι του ανζμου από τθν αεροςιραγγα. Το πτερφγιο τθσ ανεμογεννιτριασ με αεροτομι τφπου NACA 4415 είναι ζνα κυλινδρικό ςϊμα με μθ κυκλικι διατομι. Όταν μιλάμε για αεροτομι πτερυγίου εννοοφμε τθν κάκετθ διατομι του πτερυγίου. H αεροτομι τφπου NACA ιταν λιγότερο αποδοτικι αεροδυναμικά ςε ςχζςθ με το πτερφγιο ςχιματοσ ορκογωνίου παραλλθλογράμμου με αεροτομι επίςθσ ςχιματοσ ορκογωνίου παραλλθλογράμμου για διάφορουσ λόγουσ, όπωσ α) λόγω τθσ μεγαλφτερθσ καμπυλωμζνθσ επιφάνειασ τθσ αεροτομισ τφπου NACA ςε ςχζςθ με τθν επίπεδθ αεροτομι, θ αεροτομι ΝACA 4415 παρουςιάηει μεγαλφτερθ αντίςταςθ τριβισ κατά τθν διεφκυνςθ τθσ ροισ και μεγαλφτερθ αντίςταςθ πίεςθσ κάκετα ςτθν διεφκυνςθ του ανζμου. β) Αλλαγι τθσ γωνίασ κλίςθσ τθσ αεροτομισ ΝΑCΑ 4415 δεν βελτίωςε τθν αεροδυναμικι απόδοςθ τθσ ςε ςχζςθ με τθν επίπεδθ αεροτομι. γ) Το επίπεδο πτερφγιο με τθν επίπεδθ αεροτομι με ομοιόμορφθ κατανομι πλάτουσ και πάχουσ κατά μικοσ του πτερυγίου ζδωςε καλφτερθ αεροδυναμικι απόδοςθ ιςχφοσ περίπου 20% ςε ςχζςθ με τθν αεροτομι τφπου NACA. Συμπεραίνουμε ότι ςθμαςία για τον ςχεδιαςμό των πτερυγίων ζχει θ κατανομι του πάχουσ και του πλάτουσ κατά μικοσ τθσ αεροτομισ. 1
δ) Η κατανομι μάηασ πρζπει να ζχει ςθμαςία επίςθσ, διότι το κζντρο βάρουσ ςτα πτερφγια δεν ςυμπίπτει ακριβϊσ με το κζντρο ςυμμετρίασ τουσ. Ο άξονασ των πτερυγίων καταςκευάςτθκε ςτθν άκρθ του πτερυγίου για λόγουσ ευκολίασ καταςκευισ και για να μθν επθρεαςτεί το ςχιμα τθσ αεροτομισ. Ο άξονασ περιςτροφισ των πτερυγίων καταςκευάςτθκε με μικοσ ίςο με το μικοσ του πτερυγίου. Έτςι το κζντρο βάρουσ των επίπεδων πτερυγίων φαίνεται να είναι πλθςιζςτερα ςτον διαμικθ άξονα περιςτροφισ του πτερυγίου. Δεν ςυμβαίνει το ίδιο με τισ αεροτομζσ τφπου NACA. Δεν υπιρχε τρόποσ να ξεπεραςτεί το πρόβλθμα αυτό. Αυτό προκαλεί μείωςθ τθσ μθχανικισ ροπισ του άξονα περιςτροφισ τθσ ανεμογεννιτριασ, διότι τα πτερφγια ανζπτυςςαν ροπι περιςτροφισ γφρω από νοθτό άξονα που διζρχονταν από το κζντρο βάρουσ κάκε αεροτομισ. ε) Σθμαςία ςτα αποτελζςματα ζχει και θ γωνιακι ταχφτθτα τθσ γεννιτριασ μασ. Δεν πραγματοποιιςαμε πειραματικζσ μετριςεισ τθσ γωνιακισ ταχφτθτασ τθσ ανεμογεννιτριασ. Το μοτεράκι που χρθςιμοποιιςαμε με ονομαςτικι τιμι 3000 ςτροφϊν το λεπτό ιταν πικανά υψθλόςτροφο για το πείραμα μασ. Αυτό ςθμαίνει ότι λόγω τθσ μθ χριςθσ κιβωτίου ταχυτιτων, δεν είχαμε τθν δυνατότθτα πολλαπλαςιαςμοφ των χαμθλϊν ςτροφϊν του ανεμοκινθτιρα ϊςτε να προςαρμοςτεί θ ροπι του ανεμοκινθτιρα ςτον υψθλόςτροφο άξονα τθσ γεννιτριασ. Σαν αποτζλεςμα παίρναμε μικρότερθ άνωςθ και ςυνεπϊσ μικρότερθ ιςχφ εξόδου τθσ ανεμογεννιτριασ. ςτ) - Η καταςκευι των αεροτομϊν ζγινε με το χζρι και προβλζψαμε και ςυςτροφι του πτερυγίου. Η ςυςτροφι του πτερυγίου γίνεται διότι όλεσ οι αεροτομζσ πρζπει να βλζπουν τθν ροι του ανζμου με τθν βζλτιςτθ γωνία προςβολισ (γωνία περίπου 2 ο ). Αυτό ςθμαίνει ότι θ γωνία προςβολισ που ςχθματίηεται μεταξφ τθσ ςχετικισ ι φαινόμενθσ ταχφτθτασ τθσ ροισ του ανζμου και τθσ χορδισ τθσ αεροτομισ (δθλ. το μεγαλφτερο μικοσ τθσ αεροτομισ) πρζπει να είναι θ ίδια για όλεσ τισ αεροτομζσ κατά μικοσ του πτερυγίου. Η γωνία αυτι όμωσ αυτι για επίπεδο πτερφγιο χωρίσ ςυςτροφι, ςτθν πραγματικότθτα μικραίνει διότι ςτο τρίγωνο των ταχυτιτων που ςχθματίηουν θ πραγματικι ταχφτθτα του ανζμου με τθν ςχετικι ταχφτθτα περιςτροφισ του πτερυγίου, θ γωνία προςβολισ ελαττϊνεται προσ το άκρο του πτερυγίου, διότι θ ταχφτθτα του πτερυγίου αυξάνεται (Σχ.1). Η παραπάνω λοιπόν κλίςθ που δίνεται με τθν ςυςτροφι του πτερυγίου από τθν ρίηα προσ το άκρο του ζχει ςαν ςκοπό να προςεγγίςει το πρόβλθμα του προςανατολιςμοφ όλων των προφίλ των αεροτομών ώςτε να είναι ςχεδόν εφαπτομενικά με τθν ςχετικι (φαινόμενθ) ταχφτθτα του ανζμου. Τότε οι χορδζσ βλζπουν τον άνεμο με τθν βζλτιςτθ γωνία προςβολισ, και εξάγουν από τον άνεμο τθν μζγιςτθ δυνατόν ιςχφ. Σχ.1α Η φαινόμενθ ταχφθτα του αζρα από το κινοφμενο πτερφγιο. Σχ. 1β Η γωνία προςβολισ ελαττώνεται κακώσ κινοφμαςτε προσ τοπ άκρο του πτερυγίου. -- Στθν καταςκευι με το χζρι των προφίλ των αεροτομϊν των πτερυγίων δεν λάβαμε υπόψθ τθν ταχφτθτα του ανζμου ςτθν οποία κα λειτουργιςουν. Έτςι τα προφίλ των αεροτομϊν δεν ιταν ςτθν πραγματικότθτα μελετθμζνο με ακρίβεια, ϊςτε να ςχθματίηει τθν βζλτιςτθ γωνία με τθν ςχετικι ταχφτθτα του ανζμου. 2
Στθν πράξθ το προφίλ των πτερυγίων μιασ ανεμογεννιτριασ οριηόντιου άξονα καταςκευάηονται για μια οριςμζνθ ταχφτθτα ανζμου. Αυτό ςθμαίνει ότι για ςυγκεκριμζνθ ταχφτθτα ανζμου αντιςτοιχεί μια ςυγκεκριμζνθ βζλτιςτθ γωνία προςβολισ. Τα προφίλ των αεροτομϊν ςχεδιάηονται ϊςτε θ κλίςθ τθσ χορδισ τουσ ωσ προσ τθν ςχετικι ταχφτθτα του ανζμου να είναι θ βζλτιςτθ γωνία προςβολισ για τθν οποία θ άνωςθ γίνεται μζγιςτθ και θ αντίςταςθ ελάχιςτθ. Οποιαδιποτε απόκλιςθ τθσ ταχφτθτασ του ανζμου από τθν ονομαςτικι ταχφτθτα καταςκευισ, ςθμαίνει ότι οι αεροτομζσ δεν βλζπουν τθν βζλτιςτθ γωνία προςβολισ. Το πρόβλθμα λφνεται με ρφκμιςθ τθσ κλίςθσ των πτερυγίων (pitch control) δθλαδι ρφκμιςθ τθσ γωνίασ μεταξφ τθσ χορδισ του πτερυγίου και του επίπεδου περιςτροφισ τουσ, (θ γωνία αυτι λζγεται ακόμα και γωνία βιματοσ β) ϊςτε ανάλογα να μεταβάλλεται θ μετωπικι επιφάνεια των αεροτομϊν (προβολι τθσ επιφάνειασ τουσ ςε επίπεδο κάκετο διεφκυνςθ του ανζμου). Για μικρι ταχφτθτα ανζμου, θ ρφκμιςθ τθσ γωνίασ βιματοσ αυξάνει τθν μετωπικι επιφάνεια του πτερυγίου ωσ προσ τον άνεμο (Σχ. 2α), και αντίςτοιχα για υψθλότερθ ταχφτθτα ανζμου μειϊνει τθν μετωπικι επιφάνεια τθσ αεροτομισ (Σχ. 2β). Αυτό ςθμαίνει ότι ανάλογα αυξάνεται θ ελαττϊνεται θ ιςχφσ που δεςμεφεται από τον άνεμο. Έτςι αντι να καταςκευάηονται για κάκε ταχφτθτα ανζμου διαφορετικά προφίλ αεροτομϊν, αυτά μεταβάλλεται κατά προςζγγιςθ θ κλίςθ τουσ ϊςτε οι αεροτομζσ να είναι ευκυγραμμιςμζνεσ ςτθν βζλτιςτθ γωνία προςβολισ ωσ προσ τον φαινόμενθ ροι του ανζμου. Σχ. 2α Αφξθςθ τθσ μετωπικισ επιφάνειασ (μετωπικι επιφάνεια είναι θ προβαλλόμενθ επιφάνεια των πτερυγίων ςε επίπεδο κάκετο ςτθν διεφκυνςθ του ανζμου) των πτερυγίων για χαμθλζσ ταχφθτεσ του ανζμου με τον μθχανιςμό ρφκμιςθσ γωνίασ βιματοσ (pitch control). Στο ςχιμα δεν απεικονίηεται θ μικρι γωνία προςβολισ ~2 ο του ςχετικοφ ανζμου (κόκκινο διάνυςμα) προσ τθν χορδι τθσ αεροτομισ (μαφρθ γραμμι). Η ςχετικι ταχφτθτα του ανζμου πρζπει να είναι ςχεδόν εφαπτομενικι με το προφίλ τθσ αεροτομισ. Αυτόσ είναι ο καλφτεροσ προςανατολιςμόσ των πτερυγίων προσ τον άνεμο (μπλζ διάνυςμα). Σχ. 2β Mείωςθ τθσ μετωπικισ επιφάνειασ των πτερυγίων για χαμθλζσ ταχφτθτεσ του ανζμου με τον μθχανιςμό ρφκμιςθσ γωνίασ βιματοσ (pitch control). Η γωνία που ςχθματίηει το προφίλ τθσ αεροτομισ (μαφρθ γραμμι) με το διάνυςμα τθσ εφαπτομενικισ ταχφτθτασ περιςτροφισ του πτερυγίου (πράςινθ γραμμι) είναι θ γωνία βιματοσ. Η γωνία αυτι δίνει τθν κατάλληλη κλίση των πτερυγίων ώςτε το προφίλ των αεροτομών να είναι ςχεδόν εφαπτομενικό με τθν ςχετικι ροι του ανζμου. Τότε θ άνωςθ γίνεται μζγιςτθ και θ ιςχφσ εξόδου επίςθσ μζγιςτθ. η) Η χριςθ ενόσ φυςικοφ υλικοφ για τθν καταςκευι των πτερυγίων ίςωσ να μθν ιταν θ καλφτερθ λφςθ για τισ αεροτομζσ τφπου NACA λόγω τθσ μθ ομοιόμορφθσ κατανομισ τθσ πυκνότθτασ του ξφλου. Αυτό προζκυψε από μετριςεισ του βάρουσ ίδιων διαςτάςεων μπάλςα. Η χρθςιμοποίθςθ κάποιου ελαφρφτερου υλικοφ με ομοιόμορφθ κατανομι τθσ πυκνότθτασ π.χ. πλαςτικοφ κα επζφερε καλφτερα αποτελζςματα. Τα πτερφγια ςτισ ανεμογεννιτριεσ καταςκευάηονται ςυνικωσ από πλαςτικό (πολυεςτερικι ρθτίνθ) ενιςχυμζνο με υαλονιματα. 3
θ) πικανά προβλιματα ςχετικά με τθν ηυγοςτάκμιςθ των πτερυγίων, λόγω καταςκευαςτικϊν ατελειϊν. Θ) Η ςτακερι μεταβολι τθσ γωνίασ κλίςθσ του πτερυγίου ςτο επίπεδο πτερφγιο με τθν επίπεδθ αεροτομι ζχει ςαν αποτζλεςμα το πτερφγιο αυτό να δεςμεφει πιο αποτελεςματικά τθν ιςχφ του ανζμου διότι ςυμπεριφζρεται ωσ αερόβιδα (Σχ. 3). Αντίκετα, θ αςυμμετρία λόγω καταςκευαςτικϊν ατελειϊν ςτθν μεταβολι τθσ γωνίασ κλίςθσ τθσ αεροτομισ μασ τφπου NACA θ οποία ζχει και ςυςτροφι του πτερυγίου κατά τον διαμικθ άξονα του, κάνει τθν αεροτομι να δεςμεφει τον αζρα λιγότερο αποτελεςματικά. Σχ.3 Η μεταβλθτι γωνία βιματοσ κατά μικοσ του πτερυγίου ζχει ωσ αποτζλεςμα θ πτερωτι να ςυμπεριφζρεται ωσ «αερόβιδα», ωσ κοχλία, που δεςμεφει αποτελεςματικά τθν ιςχφ του ανζμου. 4
The mascil project has received funding from the European Union s Seventh Framework Programme for research, technological development and demonstration under grant agreement no 320 693 2015 mascil project (G.A. no. 320693), lead partner: University of Education Freiburg; CC BY_NC_SA 4.0 license granted Original idea of this task: Mascil Team The Netherlands